炼钢

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炼钢是用铁矿(可能包括废铁)产生的制程。在炼钢过程中会去除杂质,也会控制的含量在一定的比例。炼钢时也可能会依照不同的钢质等级要求,加入像是、碳及等合金元素,以制成合金钢

炼钢厂里的二个电弧炉

历史

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中世纪时的锻铁炉熔炼

古代钢

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铁器最早出现在公元前4000年的古埃及苏美,是从陨铁获得。公元前3000年至公元前2000年,在小亚细亚埃及美索不达米亚越来越多地由铁陨石中提练铁。

最早的出土于土耳其安那托利亚卡曼-卡莱霍尤克英语Kaman-Kalehöyük遗迹,约有四千年的历史[1]。公元前1400年东非人也用碳炉炼钢[2]中国台西遗址刘家河商墓也出土了公元前14世纪时商朝的五件铁刃铜钺。铁在当时属于炼的副产品,称为海绵铁,可能是用锻铁炉英语Bloomery烧碳熔炼[3]

在公元前4世纪,伊比利亚半岛出产了像利刃弯刀这种钢兵器,而古罗马军队则在用诺里库姆出产的钢兵器[4]。在战国时代(公元前403-221年)中国用淬火来硬化钢材[5],而到了汉朝熟铁铸铁熔在一起炼出了中碳钢[6][7]。东非的哈亚人在接近2,000年前发明了一种高热高炉,使得他们在那个时候能用1,802 ℃的高温来锻造碳钢[8]

坩埚钢

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斯里兰卡的莎玛纳拉威瓦发现了建于公元前1000年的炼铁炉[9],利用季风送风能够生产出高碳钢[10]印度在公元前300年就开始生产乌兹钢[11]。中东大马士革地区进口乌兹钢打造出大马士革钢。自从乌兹钢的锻造法在公元五世纪从印度传入了中国,中国人除了使用他们本身原创的锻钢法,也采用了乌兹钢的生产法[12],做出来的钢叫做镔铁。乌兹钢也叫大马士革钢,以其耐用性,与所制刀刃不易损而闻名。最早是由多种不同的材料制成,当中包括各种稀有元素。它本质上是一种以铁为主的复杂合金。最近研究指出,它的内部结构中含有碳纳米管,所以这可能就是它那有名特性的来源,介于当时的铸造技术有限,做出这种结构大概是出于偶然,而不是有意[13]。送风式炉用的是天然风,炉内放置含铁的土壤,并用木材加热。古代的僧伽罗人成功从每两吨的土壤中提炼出一整吨的钢材,当时来说可谓成就卓越。考古学家在莎玛纳拉威瓦找到了这样的一个炉,并成功用古人的方法来生产钢铁[10][14]

把纯铁与碳(一般是木炭)放在一起于坩埚内慢慢加热,冷却后就能得到坩埚钢,在公元九至十世纪前,梅尔夫这个地方就已经在生产坩埚钢。在十一世纪,有证据指出宋朝的中国共有两种炼钢法:一种把小量熟铁跟铸铁熔在一起,用于生产不均匀的次等钢;另一种是现代贝塞麦炼钢法的前身,透过在冷炉风下的重复锻造,达到不完全除碳的效果[15]

现代炼钢

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一座位于英格兰锡菲尔德的贝塞麦转炉

从十七世纪起,欧洲式炼钢的第一步就是用高炉把铁矿炼成生铁[16]。最早期炉子里烧的是木炭,现代方法则改为烧焦炭,事实证明后者要比前者便宜得多[17][18][19]

从铁条开始的过程

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在这些过程中,生铁需要在精炼厂中接受精炼,以生产出铁条(熟铁),之后再拿铁条去炼钢[16]

渗碳法炼钢的程序被记载于一篇在1574年布拉格出版的论文中,并且早在1601年纽伦堡人就在用这方法炼钢。一本在1589年那不勒斯出版的书中有提及相近的方法,用于制作经表面硬化的盔甲与锉。这套程序在1614年被引入英格兰,而巴兹尔·布鲁克爵士于1610年代在什罗普郡柯尔布鲁德尔生产这种钢[20]。这套方法的原材料是熟铁造的铁条。在十七世纪期间,最好的熟铁是瑞典斯德哥尔摩以北所产的厄勒格伦德铁。到了十九世纪这种铁还是最常用的原料,也就是在用这套方法的期间,几乎用的都是这种铁[21][22]

坩埚里烧出来的钢叫坩埚钢,它是没有经过锻造的,因此成品会比均匀。以前大部分的炉都不能达到能熔掉钢的温度。现代的坩埚钢工业最早是由本杰明·汉特斯曼于1740年代的发明所衍生的。一般会把渗碳钢(以渗碳法制成的钢)放在坩埚或熔炉里面熔掉,然后铸成钢锭[22][23]

从生铁开始的过程

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位于勃兰登堡工业博物馆的一台西门子-马丁烤钢炉
 
从电弧炉倒出来的白热钢

炼钢的现代史从1858年[24][25] 引进亨利·贝塞麦贝塞麦炼钢法开始。他的原料是生铁[26]。他的炼钢法让低成本大量生产变得可行,因此从前用熟铁的地方现在都用软钢[27]。吉尔克莱斯特-托马斯炼钢法(或基本贝塞麦炼钢法)是贝塞麦炼钢法的改良版,就是在转炉内部铺上一层盐基材料,以达到除磷的效果。炼钢的另一项改良就是西门子-马丁炼钢法,能够补足贝塞麦炼钢法的缺点[22]

在使用碱性氧气炼钢林茨-多纳维茨炼钢法出现后,上述的炼钢法都被淘汰了,碱性氧气炼钢法及其他氧气炼钢法是在1950年代被开发出来的。碱性氧气炼钢法比其他方法优胜是因为,被泵到表面上的氧气会限制杂质,而从前杂质能够从所用的空气中进入[28]。时至今日,用电弧炉来重新处理废金属是很常见的,处理后能生产出新的钢。它也可用于把生铁转化成钢,但需要使用大量电力(每吨需要约440 kWh),所以一般只能在有大量廉价电力供应的情况下才有经济效益[29]。 炼钢的工艺已存在上千年,

但一直到十九世纪中才商业化英语Commercialization,进行大量生产。像坩埚钢制程就是古代的炼钢制程。在1850年代以及1860年的贝塞麦转炉炼钢法平炉炼钢法让炼钢变成重工业的一部分。

现今炼钢的商业制程主要有二种,分别是以高炉中的液态生铁以及废铁为主要材料的碱性氧气炼钢英语basic oxygen steelmaking,以及用废铁或直接还原铁(DRI)为主要材料的电弧炉(EAF)炼钢。氧气炼钢主要是以钢炉中反应的放热特性作为其燃料。而EAF炼钢是由电能来熔化废铁或直接还原铁。近年来的EAF炼钢也使用比较多的化学能,因此也比较类似氧气炼钢[30]

炼钢是世界上主要的温室气体排放产业之一。截至2020年 (2020-Missing required parameter 1=month!),全世界炼钢排放的温室气体约占总数的10%[31]。为了气候变化缓解,产业需要找到可以大幅减少温室气体排放的方法[32]。McKinsey公司在2020年提出了一些可能可以减少温室气体排放的技术,包括碳捕捉、制造时的再利用、以及将电弧炉的电源改用太阳能或是风能,或是在制程中制造洁净燃料氢气[32]

参考资料

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  1. ^ Ironware piece unearthed from Turkey found to be oldest steel. The Hindu (Chennai, India). 2009-03-26 [2009-03-27]. (原始内容存档于2009-03-29). 
  2. ^ Civilizations in Africa: The Iron Age South of the Sahara. Washington State University. [2007-08-14]. (原始内容存档于2007-06-19). 
  3. ^ Wagner, Donald B. Early iron in China, Korea, and Japan. [2007-02-28]. (原始内容存档于2007-02-05). 
  4. ^ "Noricus ensis," Horace, Odes, i. 16.9
  5. ^ Wagner, Donald B. Iron and Steel in Ancient China: Second Impression, With Corrections. Leiden: E.J. Brill. 1993: 243. ISBN 90-04-09632-9. 
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  12. ^ Needham, Volume 4, Part 1, p. 282.
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  32. ^ 32.0 32.1 Decarbonization in steel | McKinsey. www.mckinsey.com. [2021-04-03]. (原始内容存档于2024-02-13). 

外部链接

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